人形机器人和工业机器人在应用场景上的区别及实战方案

科技 2024-12-04 17:01 广东

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大模型技术为人形机器人研发带来了创新浪潮，近期国内外多款人形机器人争相进入制造工厂“实习”。与此同时，以机械臂为代表的工业机器人的应用也在不断普及。这两种类型的机器人在应用场景上有着显著的区别，并且针对各自的特点，业界也开发出了不同的实战方案。

工业机器人与人形机器人在擅长能力与应用场景上各有侧重。在能力和场景上，工业机器人主要通过预设程序完成重复性、单一任务、流程化的操作，如焊接、装配、搬运、码垛等，通常需要较高的精度和速度，适用于汽车、电子等工业生产线等标准化、结构化的封闭场景中。人形机器人则基于人工智能技术具备较好的通用性和泛化性，可以实现类人灵活操作、人机交互、决策以及推理的智能化能力，具有高度的灵活性和适应性，更擅长完成高柔性、高协作、复杂流程的任务，应用场景更加多元化，包括工业、商业和家用等多领域。

具体来看：

1、人形机器人在工业制造领域的潜在进入空间比较有限。

“人类员工占比”当前高于25%的场景集中在工业制造流程起始端的搬运、上下料环节，以及工业制造流程尾端的装配、组装、检测环节。但在工业制造流程中间环节的材料加工、产品成型等环节，“人类员工占比”普遍很低，已经处于高度自动化的状态。这一方面是我国多年来对工业制造领域的持续重视和“制造强国”战略实施的结果，另一方面也揭示出人形机器人在工业制造领域的潜在进入空间存在“天花板”，这与人形机器人进厂实习的测试任务普遍集中在搬运、装配等工作的现象也高度吻合。

2、离散制造业中，装配组装和质检巡检以及原材料处理环节是人形机器人的潜在应用场景。

以汽车和3C制造为例，在原材料搬运和上下料等环节，以人类员工操作自动化设备为主完成任务；在材料加工和成型、塑形环节，以应用工业机器人为主来执行高负荷和重复性任务，工人占比很少。以特斯拉上海工厂、理想常州&北京工厂、长安重庆工厂、小米、极氪等新建汽车工厂为例，冲压、喷涂车间自动化率接近100%，焊接车间从过去的80%提升至95%以上。而在总装和质检环节，自动化率只有5%-10%，线束等非标准部件装配、车辆点检和路试等工作仍然严重依赖人工。

3、流程制造行业中，人形机器人的潜在应用空间还要小于离散制造业。

在上下料、石化炼制、药品提纯、食品烹饪、炼钢轧钢等材料加工和产品成型环节，以自动化设备为主完成工作。人类员工主要从事工艺操作、设备控制与维护、包装、巡检、质检等工作，整体占比少于离散制造。以宝山基地的冷轧热镀锌智能车间为例，两条200米长的生产线已基本实现自动化工作，每条只需二三名工人流动检视，传统守候在产线一旁的工人已成为坐在操作室里通过电子屏幕远程操控生产线的操作人员。在河钢集团唐钢新区，轧钢作业区几乎已经看不到工人，技术人员在中控室已经可以完成绝大部分工作。

总的来说，在智能制造体系里，对制造质量和制造效率要求高的工作依靠工业机器人和自动化设备来完成，人形机器人的定位主要是完成辅助性的工作，例如简单的搬运和装配等技术难度较低的重复且标准化的任务，以及诸如监控生产线状态、执行简单的维护任务等泛化要求相对不高的任务。在自动化率低的生产场景，当前人形机器人的灵巧性和精细操作能力尚不足以完全胜任高复杂度、高灵活性的任务，这使得其应用规模存在较明显的“天花板”。

以下将介绍一些基于高性能、高实时性MCU的机器人电机控制案例及其技术实现方式，以作参考。

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案例一：直线旋转执行器方案

方案介绍：

方案基于 HPM6200 系列高性能多核处理器，专门满足半导体行业在高节拍、高精度Z轴、高精度力控以及高稳定性等方面有严格要求。该方案采用新一代的氮化镓 (GaN) 作为核心驱动，结合 HPM6200 系列的皮秒级高精度定时器和卓越计算性能，大幅提升了电流环带宽并降低电流纹波。双核架构设计使一核运行 RTOS 来处理应用和通信，另一核通过裸机协程控制电机，实现 100kHz 以上的高频率驱控合一。高实时性通信和高频电机控制互不干扰，在单芯片上实现最优的解耦，使 EtherCAT 通信周期在低于 100 微秒间隔的情况下保持极低抖动，完全不影响控制带宽。

应用场景：

半导体封测、芯片贴装、3C精密装配

方案优势：

1. 先进的硬件技术：机器人的驱动器采用了最先进的氮化镓 (GaN) 半导体技术和 600MHz 主频的双核处理器，在提升功率的同时减小体积，降低电流纹波，显著提高性能和实时性。这种硬件组合使其在性能和成本效益方面均优于其他解决方案。

2. 尖端软件算法：通过引入先进的阻抗和导纳控制算法，实现精准的力控、快速响应和出色的稳定性，相比传统的软着陆技术表现更为卓越，在复杂的动态应用场景中具有更优性能。

3. 专属监控功能与精准适配：智能芯片提供绝对值信息、温度监控和各种安全报警，并采用专属通信协议以无缝连接到驱动器实时获取其监控数据，进一步提高系统的安全性和稳定性，在温度变化条件下确保最佳的力控精度。

4. 针对性设计与定制功能：驱动器针对半导体和 3C 末端任务特别设计，具备多种定制功能，包括高级力控算法，确保与 LA 和 LRA 本体的完美兼容，为特定应用场景提供最佳解决方案。

方案采用的主控先楫HPM6200是针对机器人开发行业推出的高性能、高实时性MCU，拥有3路16位ADC，可以支持2MHz的采样率，同时具备4通道Ʃ-Δ数字滤波;精准控制方面，HPM6200系列100 ps的PWM达到世界一流水平的调制精度，4组独立PWM可实现多路马达控制。

案例二：机械臂电动平行夹爪方案

先楫HPM6280芯片具备响应速度快、定位精度高等特点，能够实现高速、高精度的运动控制。HPM6280高性能MCU目前已应用于电动平行夹爪方案，方案内置FOC算法+H桥驱动芯片，以50K电流环频率实现4轴步进电机开环控制，步进电机速度>1200RPM，在工业机械臂场景，HPM6280 MCU能够迅速准确地完成各种复杂任务，提高工作效率和生产质量。

系统架构框图

方案优势

（1）高性能MCU，高达600MHz主频。

（2）控制<100PS，高精度PWM，有效优化GaN驱动音圈电机动态特性。

（3）RISC-V架构自研芯片，可满足国产自主可控要求，供应链稳定，超高性价比。

（4）高算力，大 SRAM，大 Flash，多路CAN FD，16bitADC(24路)。

应用场景

搬运机械臂、装配机械臂、焊接机械臂等场景。

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